Рекуперативний п'єзоперетворювач вібрацій технічних систем в електричну енергію
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Новиков А. О. Рекуперативний п'єзоперетворювач вібрацій технічних систем в електричну енергію.– Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеню доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 Електрична інженерія) – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Ідея роботи полягає в використанні встановлених закономірностей і характеристик динамічного рекуперативного процесу перетворення вібраційних навантажень за допомогою п’єзогенераторів в електричну енергію для живлення електротехнічних пристроїв технічних систем. У вступі представлено актуальність дисертаційної роботи, яка полягає у розв’язанні проблем енергоефективності та екологічної безпеки транспортної галузі. Підкреслено відповідність тематики державним пріоритетам України, зокрема Стратегії інноваційного розвитку технічних систем транспортної сфери та положенням щодо створення технологічних інноваційних парків у енергетичній сфері. Робота спрямована на дослідження процесів віброгасіння з рекуперацією механічної енергії шкідливих коливань в електричну енергію, що відповідає сучасним тенденціям сталого розвитку та зменшення викидів. Визначено мету дослідження — розробку нелінійної моделі електротехнічної системи амортизаційного пристрою з п’єзоелектричним генератором та визначення її ефективних параметрів для забезпечення рекуперацї енергії з перетворенням механічної енергії шкідливих вібрацій в електричну енергію та оцінку ефективності системи. Сформульовані завдання, серед яких: аналіз наявних систем перетворення механічної енергії вібрацій в електричну енергію, визначення основних характеристик п’єзогенераторів, розробка конструктивної схеми електротехнічного рекуперативного амортизатора та її математичної моделі, а також - статистична оцінка впливу основних параметрів на ефективність рекуперації енергії, обґрунтування шляхів впровадження розробленої електротехнічної системи у виробництво. Окреслено об’єкт дослідження — процеси енергетичних перетворень у динамічних системах, та предмет дослідження — рекуперація енергії з перетворенням механічної енергії вібрацій у електричну енергію. Наведено основні наукові положення, що виносяться на захист: застосування прямого п’єзоефекту для рекуперації енергії вібраційних коливань імпульсної системи гідроударного пристрою та підвіски транспортного засобу, на прикладі наземних роботизованих платформ, визначення робочого діапазону коефіцієнта електромеханічного зв’язку (0,4–0,75) транспортного засобу, що забезпечує отримання електричної енергії 0,025 Вт∙год, за умови впливу на нього енергії збурення величиною 170 Дж з частотою коливань 5 Гц, врахування ймовірнісного характеру коливань, розробка дискретно-континуальної моделі електротехнічного ударного пристрою з п’єзогенератором, створення системи рекуперації з мостовим випрямлячем на діодах Шотткі, контакти яких виконано як метал-напівпровідник, що забезпечує йому надзвичайно високу швидкість перемикання та низьке падіння напруги, визначення вихідного струму п’єзопакета (0,25 А при силі 2380 Н). Наведено наукову новизну роботи — встановлення параметрів, що впливають на функціонування електротехнічного рекуперативного амортизатора; моделювання нелінійних характеристик жорсткості амортизаційного модуля; розробка системи перетворення механічної енергії вібрацій в електричну для транспортних засобів. Практичне значення полягає у створенні методики розрахунку параметрів рекуперації та розробці конструктивних рішень для впровадження у виробництво. Описано реалізацію результатів — використання методів моделювання електротехнічних систем рекуперації енергії у навчальному процесі кафедри автоматизації електротехнічних та мехатронних комплексів НН Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, а також застосування у виробничій практиці ТОВ «КБ БУРЕВІЙ» методики розрахунку динамічних характеристик амортизаційної системи наземного роботизованого комплексу (НРК) розробки з моделюванням процесу п’єзоелектричного перетворення шкідливих вібрацій в електричну енергію, що дозволяє встановити потенціальні енергетичні ресурси вібраційних навантажень та енергію поточної зарядки бортового акумулятора НРК. Наведено дані про апробацію результатів досліджень — публікацію 8 наукових робіт (дві роботи в виданнях Scopus, три роботи - в фахових виданнях України, та три роботи – апробація результатів досліджень на міжнародних конференціях). Структура дисертації включає вступ, чотири розділи, висновки, список літератури та додатки. У першому розділі було здійснено огляд сучасних тенденцій у сфері рекуперації енергії та застосування п’єзоелектричних матеріалів технічних систем у транспортних і промислових системах. Розглянуто актуальність проблеми енергозбереження в автомобільній промисловості, зокрема в умовах поширення електротранспорту та потреби у збільшенні часу роботи акумуляторів. Відзначено перспективні напрями збору енергії — використання сонячних панелей, дорожніх покриттів із генерацією струму та шин із п’єзоелектричними волокнами. Проведено аналіз та описано фізичну природу прямого та зворотного п’єзоефектів, наведено приклади їх застосування на практиці. Проаналізовано властивості сучасних п’єзокерамічних матеріалів (BaTiO3, PZT, PbNb2O6), їхні параметри — діелектрична проникність, коефіцієнти електромеханічного зв’язку, модулі Юнга, температура точки Кюрі. Визначено недоліки п’єзоелектрики (високий вихідний опір, витік заряду, низький струм). Побудовано графік залежності густини потужності від напруги для різних механізмів збору енергії, який показав перевагу п’єзоелектрики над електромагнітними та термоелектричними перетворювачами. Розглянуто уніморфні та біморфні конфігурації консольних балок, які працюють у режимах згинання та стискання/розтягу. Показано, що біморфна конструкція забезпечує вищу напругу завдяки поєднанню двох шарів. Наведено схему стандартного електричного кола п’єзоелектричних перетворювачів (ПЕП) із діодним мостом та конденсатором для згладжування напруги. Вказано проблему «повернення енергії» та можливість її усунення методами синхронного перемикання. Проведено порівняльний аналіз ефективності рекуперації енергії для транспортних і промислових систем. Встановлено, що найбільший потенціал для рекуперації мають автомобільні підвіски (частоти 1–15 Гц, прискорення 0,4–0,6 м/с2), шасі важкої техніки (5–30 Гц, прискорення 0,2–0,6 м/с2) та ударні гірничі установки (30–70 Гц, прискорення 8–15 м/с2). Побудовані таблиці та графіки підтвердили, що ці системи є пріоритетними для інтеграції п’єзоперетворювачів, оскільки забезпечують стабільні коливання та високу енергоємність процесів. Таким чином, у першому розділі було закладено теоретичні та практичні основи дослідження: визначено актуальність проблеми рекуперації енергії, описано фізичні принципи п’єзоефекту, наведено властивості сучасних матеріалів та конструкцій п’єзоперетворювачів, а також проведено аналіз технічних систем для вибору пріоритетних об’єктів впровадження. У другому розділі проведено аналіз енергетичних характеристик різних технічних систем та розроблено статистичні моделі для врахування випадкових чинників у процесі рекуперації енергії. Розглянуто енергетичний потенціал використання механічних коливань для рекуперації енергії за допомогою п’єзоелектричних перетворювачів. Проведено порівняльний аналіз транспортних і промислових систем (автомобільні підвіски, шасі важкої техніки, бурильні установки, залізничні візки, роторні механізми, медико-технологічні системи). Встановлено, що найбільший енергетичний потенціал мають автомобільні підвіски (частоти 1–15 Гц, амплітуди 2–5 мм, питомий енергетичний потенціал 0,02–0,1 Дж/кг) та бурильні установки (частоти 30–70 Гц, прискорення 8–15 м/с2, питомий енергетичний потенціал 0,3–1,0 Дж/кг). Побудовано параметричні характеристики систем та типові значення динамічних параметрів, що підтвердили перспективність використання п’єзоперетворювачів у транспортних і гірничих комплексах. Оскільки коливальні процеси мають стохастичний характер, у розділі розроблено статистичні моделі для врахування випадкових змін амплітуди, частоти та прискорення елементів електротехнічної коливальної системи. Система описана як лінійна стохастична модель із випадковим процесом зовнішнього прискорення. Для гідропневматичних систем, з можливістю установки рекуперативного п’єзогенератора, (гідромолоти, бурильні установки, амортизатори) застосовано рівняння політропи для опису стиснення газу у пневмоакумуляторі. Енергетичний потенціал визначався як випадкова величина з дисперсією, що враховує змінність тиску, об’єму та показника політропи. Для адекватного опису процесів рекуперації енергії застосовано метод Монте-Карло, який дозволив врахувати стохастичну природу параметрів пневмоакумулятора ударного пристрою з п’єзогенератором. Проведеним моделюванням розподілу енергії стиснення при різних законах розподілу вхідних величин встановлено, що, наприклад, для показника політропи n, який моделювався нормальним розподілом (m = 1,45; o = 0,05; діапазон [1,3–1,6]), ступінь стиснення e — рівномірним розподілом [1,19–1,98], а сила удару — нормальним розподілом із середнім значенням 2380 Н. Це дозволило отримати статистично правдиві результати для середнього, дисперсії та довірчих інтервалів енергії стиснення. Таким чином, у другому розділі було визначено пріоритетні технічні системи для рекуперації енергії, кількісно оцінено їх енергетичний потенціал та розроблено стохастичні моделі для врахування випадкових значень параметрів. Побудовані таблиці та графіки підтвердили, що найбільш перспективними є транспортні та ударні системи, а застосування методу Монте-Карло забезпечує адекватність оцінки енергетичного потенціалу в реальних умовах експлуатації. У третьому розділі наведено результати комплексного дослідження рекуперації енергії з перетворенням механічної енергії в електричну ударної системи - гідромолота, а також - підвіски транспортного засобу з рекуперативним амортизатором. Розроблено дискретно-континуальну модель електротехнічної системи «бойок–інструмент–оброблювальне середовище» з п’єзогенератором та встановлено її основні параметри. Імітаційні експерименти в Ansys Explicit Dynamics показали, що тривалість співудару становить 0,1–0,5 мс, а частота коливань сягає 3000–6000 Гц. Коефіцієнт передачі енергії від бойка до інструменту становить 0,75–0,8, а до середовища — 0,55–0,65. Побудовано енергетичні характеристики коливань контактних торців інструменту, з визначенням повної енергії елементів ударної системи. Апроксимація жорсткості амортизаційної системи у вигляді кривих, що апроксимуються кубічною параболою, дозволила знизити пікові навантаження на п’єзогенератор та створити умови для застосування п’єзокераміки для рекуперації енергії імпульсів при роботі ударного пристрою. Для підвіски транспортного засобу побудовано математичну модель з урахуванням електромеханічного зв’язку п’єзоелементів. Розрахунки виконано в Mathcad та Wolfram Mathematica методом Рунге–Кутта. Показано, що при енергії удару 360 Дж та масі гідромолота 65 кг середнє значення енергії коливального процесу становить близько 170 Дж. При частоті 5 Гц це відповідає механічній потужності близько 850 Вт у межах секунди, що екстраполюється до механічної енергії 0,85 кВт∙год при безперервній роботі системи. Побудовано графіки переміщень та швидкості зведеної маси, а також енергетичні характеристики коливального процесу. Досліджено рекуперативний амортизатор, на прикладі транспортного засобу – наземного роботизованого комплексу (НРК), із п’єзопакетом та встановлено, що середня корисна постійна електрична потужність знаходиться в діапазоні десятків–сотень мВт, а пікова напруга на виході п’єзопакета до випрямлення сягає 0,9 В. Побудовано графіки пікової напруги до випрямлення у середовищі MATLABSimulink. Таким чином, у розділі було показано, що п’єзокерамічні системи здатні ефективно перетворювати механічні коливання в електричну енергію в різних технічних середовищах. Побудовані графіки переміщень, напружень, енергетичних характеристик та напруги у середовищах Ansys Explicit Dynamics, Mathcad, Wolfram Mathematica та MATLAB-Simulink підтвердили адекватність моделей і дали кількісну оцінку потенціалу рекуперації енергії. У четвертому розділі розглянуто принципи побудови та функціонування рекуперативного амортизатора, який працює в умовах складних імпульсних навантажень та широкого спектра частот, характерних для підвіски транспортного засобу. Показано, що така система має розглядатися як мехатронна, де механічна, електрична та керувальна підсистеми взаємодіють у режимі реального часу. Встановлено основні електротехнічні параметри п’єзоелектричного пакета, описано еквівалентну схему та особливості вибору елементів випрямлення й накопичення енергії. Проведено дослідження динаміки електромеханічного перетворення, визначено вплив демпфування та конструктивних параметрів на рівень корисної потужності, а також показано, що максимальна ефективність досягається поблизу резонансних режимів. Запропоновано алгоритм адаптивного узгодження навантаження з поточними режимами коливань, використання синхронного випрямлення та мікроконтролерного керування, що дозволяє суттєво підвищити енергетичну ефективність системи. Для підтвердження результатів розроблено імітаційну модель у середовищі MATLAB-Simulink, яка враховує механічні, електричні та силові процеси, дозволяє аналізувати перехідні та усталені режими роботи, а також оцінювати рівень напруги й потужності на навантаженні. Модель підтвердила адекватність вибраних параметрів та показала перспективність застосування рекуперативного амортизатора для живлення малопотужних електронних пристроїв у транспортних засобах.
Опис
Ключові слова
електротехнічна система, електроживлення, п’єзоелектричний ефект, рекуперація енергії, п’єзокераміка, накопичувач електричної енергії, енергетичні характеристики, амортизаційний пристрій, вібрація, транспортний засіб, наземний роботизований комплекс, ударний пристрій, математична модель, імітаційне моделювання, енергетичний потенціал, electrotechnical system, power supply, piezoelectric effect, energy recovery, piezoceramics, electrical energy storage device, energy characteristics, shock absorber, vibration, vehicle, mobile robotic platform, impact device, mathematical model, simulation modeling, energy potential
Бібліографічний опис
Новиков, А. О. Рекуперативний п'єзоперетворювач вібрацій технічних систем в електричну енергію : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Новиков Антон Олександрович. - Київ, 2026. - 150 с.